激光熔覆技術是20世紀80年代后興起的一種新的表面處理技術，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復合材料的工藝方法。

這種工藝可以改善基體材料表面的耐磨，耐熱，耐腐蝕的特性。因此，此技術有很高的經濟效益，目前在制造和修復金屬零件方面已得到廣泛應用，而且在航空航天，機械電子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的應用前景。

     此外，傳統制造領域，雙金屬復合界面的結合方式多采用機械結合型復合或冶金結合型。激光熔覆技術在雙金屬的加工方面相比于傳統加工工藝具有著突出的優勢。

近十年國內外在DMD同軸送粉機型研究的若干算例，并對其發展背景做了簡要總結。本期谷.專欄所分享的文章基于之前的文獻分析，結合實際產品對某型號DMD同軸送粉3D打印模型進行仿真模擬計算，并對其提出改進建議（圖1）。

圖1 物理模型-同軸送粉打印噴頭與腔體。

      通過文獻1可知，直接金屬打印過程中粉末材料的輸送質量直接影響到打印效果和成本。好的輸送可以減少粉末浪費，得到的打印金屬件表面具有較好的均勻性。另外，同軸送粉打印噴頭的價格較高，對DMD機型的成本控制至關重要。因此送粉噴嘴的結構設計成為DMD機型中的設計重點之一。載氣式同軸送粉技術在目前DMD機型的噴頭模型得到中廣泛應用，這種送粉方式基于固氣兩相流原理，依靠氣體的動力輸送粉末。但由于受氣體影響較大，難以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。優化改進送粉噴頭的結構將大大提高DMD機型的打印效率及質量。

     在同軸送粉中，由于粉末流與激光束同軸輸出，所以當粉末匯聚性差，匯聚焦距太小時，在成型過程中粉末的反彈容易造成噴嘴堵粉而影響零件的成型質量；而當焦距過大時，熔池定位的控制難度加大，精準度難以保證。除此之外，在直接金屬熔覆過程中，由于激光的照射產生巨大能量，形成熔池，從而使金屬顆粒熔化，期間經過大梯度的能量及溫度變化使熔融狀態的金屬在底板或基體上固化成型。傳統的研究方法包括物理實驗的試湊法和實時矯正法，但這些實驗復雜度高而且價格貴重，所以隨著近幾十年計算流體力學的發展，更多的學者將眼光放在對激光熔覆技術的仿真模擬上面，來探究一個更加經濟快捷的研究方法。

針對DMD 3D打印機噴頭的機理探究是個復雜的問題，需要長時間的經驗總結，相關問題例如1. 熔池附近的粉末流，2. 打印材料粉末熔化過程中的熱變化，3. 打印料材在固體基底或底板上的成型，等等。本系列文章僅將仿真計算重點放在打印腔室內部流場，特別是噴頭附近流場的模擬，分析推斷粉末在腔體內的分布情況，并提出改進建議。

噴嘴模型介紹

     目前仿真計算針對某型號DMD機型所應用的噴嘴結構為三點式噴嘴模型（圖2）。送粉口為三個均布的細長孔，保護氣口布置在其中兩個送粉口中間。文獻1中的探究中均沒有考慮打印基底對粉末匯聚效果的影響，通過計算與實驗數據的對比可知，打印過程中打印的成型底板對粉末匯聚影響很大，故此仿真計算重點考慮了打印底板對粉末匯聚效果的影響。同時，在計算過程中發現，在近粉末匯聚處的流場及粉末匯聚率變化增大，故焦點處為模擬計算的關鍵位置，模型建立過程中應作網格加密處理。圖3分別展示了計算模型的幾何以及網格圖示，為更清楚的展示模型結構，圖例皆截取三維模型的中截面進行展示。

圖2 噴嘴結構說明

圖3 仿真模型噴嘴整體簡化示意圖，a.無底板影響 b. 有底板影響。

圖4仿真模型噴嘴細節網格，a.無底板影響 b. 有底板影響。

計算模型選擇

      DPM模型用于模擬離散相在連續相介質內的運動擴撒情況，適用于模擬離散粒子在計算域中所占體積比小于10%的情況。聯系研究機型的實際情況，噴嘴外大氣環境中的空氣攜帶顆粒部分，體積加載率（單位時間內通過界面的顆粒體積與氣體體積之比）遠小于10%，因此粉末粒子平均間距很大可以認為是離散相。

簡單來說，此次計算在DPM模型中對粒子運動情況的模擬主要考慮以下幾個力：

其中F ? pressure與F ? (virtual_mass )主要應用于粒子密度遠小于周圍流體密度的情況，故在本次探究中可以忽略不計。F ? drag是由于流體的粘度和流體與打印粉末之間存在的速度差所產生的平行于速度方向的拉力，而F ? g是由于重力效應而對打印粒子所造成的影響。針對本次計算，F ? other中所考慮的因素包括粒子與紊流流場的耦合，隨機碰撞模型以及Saffman 升力。

模型中的關鍵假設處理：

進入熔池的粒子將全部熔化，不會有粒子從熔池中反彈。

底板上散落在熔池之外的粒子全部完全彈性反彈。此設置為最差工況，實際打印過程中，粒子與壁面非完全彈性碰撞。

因為在焦點處和入粉口處的顆粒與氣體體積比率遠小于10%（i.e.10-10）粉末顆粒之間的相互作用忽略不計。

計算結果及討論

圖5和圖6分別展示了近焦點處模型俯視平面的粉末濃度云圖與z=0mm處的速度云圖。通過兩圖的對比可知，底板對焦點附近的流場和粉末分布有較大影響，從工程設計角度來講，計算過程中將底板考慮在內十分必要。基于此，此次計算結果中討論了不同打印基板到噴嘴模型的距離，并將其結果展現在圖7中。

圖5 近焦點處粉末濃度云圖， a.無底板影響b. 有底板影響。

圖6 z=0mm截面處速度云圖，a.無底板影響b. 有底板影響。

圖7 8mm, 12mm 底板距離的粉末濃度曲線。

    通過對圖7的分析可得，打印底板的位置不僅影響著粉末聚集焦點的位置，還很大程度影響了粉末焦點處的濃度。例如在示例中所用打印參數條件下，12mm的底板距離遠遠優于8mm的底板距離。然而最佳的打印底板距離并非固定不變的，它會隨著保護氣流量，送粉量以及載粉流量等各個參數的變化而變化。另外，保氣流量，送粉量以及載粉流量等各個參數之間的關系確定需要大量仿真計算以及物理實驗的配合較對，作者在之后的文章中，將針對本文提到的噴嘴模型應用控制變量的方法對以上參數逐個分析。

    需要特別指出的是，以上各個參數之間的關系確定很大程度上取決于噴嘴模型結構，所以在每次打印前應用仿真計算對模型進行參數校對以及表現預估十分重要。